DNA損傷和修復(fù)專題知識教學(xué)課件

DNA損傷和修復(fù)專題知識DNA損傷和修復(fù)專題知識第1頁多種體內(nèi)外原因所造成DNA組成與結(jié)構(gòu)改變稱為DNA損傷（DNAdamage）其一,DNA組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生永久性改變,即突變a.基因型突變b.表型突變其二,造成DNA失去作為復(fù)制和/或轉(zhuǎn)錄模板功效DNA損傷后果:DNA損傷和修復(fù)專題知識第2頁生物多樣性依靠于:DNA突變DNA修復(fù)平衡DNA損傷和修復(fù)專題知識第3頁DNA損傷DNADamage第一節(jié)DNA損傷和修復(fù)專題知識第4頁一、多個原因經(jīng)過不一樣機制造成DNA損傷（一）體內(nèi)原因DNA復(fù)制錯誤DNA本身不穩(wěn)定性機體代謝過程中產(chǎn)生活性氧DNA損傷和修復(fù)專題知識第5頁DNA復(fù)制錯誤:在DNA復(fù)制過程中,堿基異構(gòu)互變、4種dNTP之間濃度不平衡等均可能引發(fā)堿基錯配DNA復(fù)制錯配率約1/1010復(fù)制錯誤還表現(xiàn)為片段缺失或插入。尤其是DNA上短片段反復(fù)序列,在真核細胞染色體上廣泛分布,造成DNA復(fù)制系統(tǒng)工作時可能出現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象,使得新生成DNA上反復(fù)序列拷貝數(shù)發(fā)生改變。亨廷頓病、脆性X綜合征、肌強直性營養(yǎng)不良等。DNA損傷和修復(fù)專題知識第6頁DNA本身不穩(wěn)定性:DNA結(jié)構(gòu)本身不穩(wěn)定性是DNA自發(fā)性損傷中最頻繁和最關(guān)鍵原因。當(dāng)DNA受熱或所處環(huán)境pH值發(fā)生改變時,DNA分子上連接堿基和核糖之間糖苷鍵可自發(fā)發(fā)生水解,造成堿基丟失或脫落,其中以脫嘌呤最為普遍。含有氨基堿基還可能自發(fā)脫氨基反應(yīng),轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€堿基,即堿基轉(zhuǎn)變,如C轉(zhuǎn)變?yōu)閁,A轉(zhuǎn)變?yōu)镮（次黃嘌呤）等。DNA損傷和修復(fù)專題知識第7頁（二）體外原因物理原因化學(xué)原因生物原因DNA損傷和修復(fù)專題知識第8頁物理原因:電離輻射、紫外線(ultraviolet,UV)常見二聚體:T-T,C-T,C-CDNA損傷和修復(fù)專題知識第9頁化學(xué)原因:自由基造成DNA損傷堿基類似物造成DNA損傷堿基修飾劑、烷化劑造成DNA損傷嵌入性染料造成DNA損傷DNA損傷和修復(fù)專題知識第10頁化學(xué)原因:DNA損傷和修復(fù)專題知識第11頁物理和化學(xué)原因?qū)NA損傷DNA損傷和修復(fù)專題知識第12頁二、DNA損傷有多個類型堿基脫落堿基結(jié)構(gòu)破壞嘧啶二聚體形成DNA單鏈或雙鏈斷裂DNA交聯(lián)DNA損傷和修復(fù)專題知識第13頁堿基損傷與糖基破壞:化學(xué)毒物可經(jīng)過對堿基一些基團進行修飾而改變堿基性質(zhì)。因為堿基損傷或糖基破壞,在DNA鏈上可能形成部分不穩(wěn)定點,最終可造成DNA鏈斷裂。DNA損傷和修復(fù)專題知識第14頁堿基之間發(fā)生錯配:堿基類似物摻入、堿基修飾劑作用可改變堿基性質(zhì),造成DNA序列中錯誤配對。在正常DNA復(fù)制過程中,存在著一定百分比自發(fā)堿基錯配。最常見是組成RNA尿嘧啶替換胸腺嘧啶摻入到DNA分子中。DNA損傷和修復(fù)專題知識第15頁DNA鏈發(fā)生斷裂:電離輻射、化學(xué)毒劑、磷酸二酯鍵斷裂、脫氧戊糖破壞、堿基損傷和脫落都是引發(fā)DNA斷裂原因。堿基損傷或糖基破壞可引發(fā)DNA雙螺旋局部變性,形成酶敏感性位點,特異核酸內(nèi)切酶能識別并切割這么部位,造成鏈斷裂。DNA鏈上被損傷堿基也能夠被另一個特異DNA-糖基化酶除去,形成無嘌呤嘧啶位點（apurinic-apyrimidinicsite,APsite）,或稱無堿基位點（abasicsite）,這些位點在內(nèi)切酶等作用下可形成鏈斷裂。DNA損傷和修復(fù)專題知識第16頁DNA共價交聯(lián):DNA雙螺旋鏈中一條鏈上堿基與另一條鏈上堿基以共價鍵結(jié)合,稱為DNA鏈間交聯(lián)（DNAinterstrandcross-linking）。DNA分子中同一條鏈中兩個堿基以共價鍵結(jié)合,稱為DNA鏈內(nèi)交聯(lián)（DNAintrastrandcross-linking）。DNA分子還可與蛋白質(zhì)以共價鍵結(jié)合,稱為DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)（DNAproteincross-linking）。DNA損傷和修復(fù)專題知識第17頁DNA損傷可造成堿基置換缺失插入重排轉(zhuǎn)換顛換DNA損傷和修復(fù)專題知識第18頁DNA分子上堿基錯配稱點突變(pointmutation)。自發(fā)突變和不少化學(xué)誘變都能引發(fā)DNA上某一堿基置換。點突變發(fā)生在基因編碼區(qū),可造成氨基酸改變。（一）錯配可造成編碼氨基酸改變DNA損傷和修復(fù)專題知識第19頁發(fā)生在同型堿基之間，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。

1）.轉(zhuǎn)換發(fā)生在異型堿基之間，即嘌呤變嘧啶或嘧啶變嘌呤。

2）.顛換錯配分類DNA損傷和修復(fù)專題知識第20頁鐮形紅細胞貧血病人Hb(HbS)β亞基N-val

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C肽鏈CACGTG基因正常成人Hb(HbA)β亞基N-val

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C肽鏈CTCGAG基因鐮形紅細胞貧血病人DNA損傷和修復(fù)專題知識第21頁（二）缺失、插入和框移突變造成蛋白質(zhì)氨基酸排列次序發(fā)生改變?nèi)笔?一個堿基或一段核苷酸鏈從DNA大分子上消失。插入:原來沒有一個堿基或一段核苷酸鏈插入到DNA大分子中間。缺失或插入都可造成框移突變?？蛞仆蛔兪侵溉?lián)體密碼閱讀方法改變,造成蛋白質(zhì)氨基酸排列次序發(fā)生改變。DNA損傷和修復(fù)專題知識第22頁谷酪蛋絲5’……GCA

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GUC……丙纈組纈正常5’……GAG

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UC……缺失C缺失引發(fā)框移突變:DNA損傷和修復(fù)專題知識第23頁（三）重組或重排常可引發(fā)遺傳、腫瘤等疾病DNA分子內(nèi)較大片段交換,稱為重組或重排。移位DNA能夠在新位點上顛倒方向反置（倒位）,也能夠在染色體之間發(fā)生交換重組。DNA損傷和修復(fù)專題知識第24頁由基因重排引發(fā)兩種地中海貧血基因型:DNA損傷和修復(fù)專題知識第25頁DNA損傷（突變）可能造成兩種結(jié)果:其一是造成復(fù)制或轉(zhuǎn)錄障礙（如胸腺嘧啶二聚體,DNA骨架中產(chǎn)生切口或斷裂）;其二是造成復(fù)制后基因突變（如胞嘧啶自發(fā)脫氨基轉(zhuǎn)變?yōu)槟蜞奏ぃ?使DNA序列發(fā)生永久性改變。所以,必需經(jīng)過進化使細胞擁有靈敏機制,以識別和修復(fù)這些損傷,不然細胞無法維持正常代謝。DNA損傷和修復(fù)專題知識第26頁DNA損傷修復(fù)TherepairofDNAdamage第二節(jié)DNA損傷和修復(fù)專題知識第27頁DNA修復(fù)（DNArepair）是指糾正DNA兩條單鏈間錯配堿基、清除DNA鏈上受損堿基或糖基、恢復(fù)DNA正常結(jié)構(gòu)過程。DNA修復(fù)是機體維持DNA結(jié)構(gòu)完整性與穩(wěn)定性,確保生命延續(xù)和物種穩(wěn)定關(guān)鍵步驟。DNA損傷和修復(fù)專題知識第28頁一、有些DNA損傷能夠直接修復(fù)嘧啶二聚體直接修復(fù)烷基化堿基直接修復(fù)無嘌呤位點直接修復(fù)單鏈斷裂直接修復(fù)DNA損傷和修復(fù)專題知識第29頁嘧啶二聚體直接修復(fù)DNA損傷和修復(fù)專題知識第30頁烷基化堿基直接修復(fù)DNA損傷和修復(fù)專題知識第31頁無嘌呤位點直接修復(fù)DNA嘌呤插入酶能催化游離嘌呤堿基或脫氧核苷與DNA嘌呤缺如部位重新生成糖苷共價鍵,造成嘌呤堿基直接插入。含有很強專一性。單鏈斷裂直接修復(fù)DNA連接酶能夠催化DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中一條鏈上缺口處5-磷酸基團與相鄰片段3-羥基之間形成磷酸二酯鍵,從而直接參與部分DNA單鏈斷裂修復(fù),如電離輻射所造成切口。DNA損傷和修復(fù)專題知識第32頁二、切除修復(fù)是最普遍DNA損傷修復(fù)方法堿基切除修復(fù)

核苷酸切除修復(fù)

DNA損傷和修復(fù)專題知識第33頁堿基切除修復(fù)（baseexcisionrepair）

①識別水解:DNA糖基化酶特異性識別DNA鏈中已受損堿基并將其水解去除,產(chǎn)生一個無堿基位點;②切除:在此位點5端,無堿基位點核酸內(nèi)切酶將DNA鏈磷酸二酯鍵切開,去除剩下磷酸核糖部分;③合成:DNA聚合酶在缺口處以另一條鏈為模板修補合成互補序列;④連接:由DNA連接酶將切口重新連接,使DNA恢復(fù)正常結(jié)構(gòu)DNA損傷和修復(fù)專題知識第34頁DNA損傷和修復(fù)專題知識第35頁核苷酸切除修復(fù)（nucleotideexcisionrepair）

①首先,由一個酶系統(tǒng)識別DNA損傷部位;②其次,在損傷兩側(cè)切開DNA鏈,去除兩個切口之間一段受損寡核苷酸;③再次,在DNA聚合酶作用下,以另一條鏈為模板,合成一段新DNA,填補缺損區(qū);④最終由連接酶連接,完成損傷修復(fù)。DNA損傷和修復(fù)專題知識第36頁E.coliNER關(guān)鍵由4種蛋白質(zhì)組成:UvrAUvrBUvrCUvrDDNA損傷和修復(fù)專題知識第37頁人類DNA損傷核苷酸切除修復(fù)①首先由損傷部位識別蛋白XPC和XPA等,再加上DNA復(fù)制所需SSB,結(jié)合在損傷DNA部位;②XPB、XPD發(fā)揮解旋酶活性,與上述物質(zhì)共同作用在受損DNA周圍形成一個凸起;③XPG與XPF發(fā)生構(gòu)象改變,分別在凸起3′-端和5′-端發(fā)揮核酸內(nèi)切酶活性,在增殖細胞核抗原（PCNA）幫助下,切除并釋放受損寡核苷酸;④遺留缺損區(qū)由聚合酶δ或ε進行修補合成;⑤最終,由連接酶完成連接。DNA損傷和修復(fù)專題知識第38頁著色性干皮病（XP）是第一個與DNA損傷修復(fù)缺點相關(guān)人類疾病,可累及多種族人群?；颊呒毎嬖赨V照射后DNA損傷修復(fù)功效缺點,患者皮膚部位缺乏核酸內(nèi)切酶,不能修復(fù)被紫外線損傷皮膚DNA,所以在日光照射后皮膚輕易被紫外線損傷,先是出現(xiàn)皮膚炎癥,繼而可發(fā)生皮膚癌。DNA損傷和修復(fù)專題知識第39頁患者發(fā)生皮膚癌可能性非常高。XP是常染色體隱性遺傳病,含有遺傳異質(zhì)性。缺點基因編碼蛋白都參與DNA切除修復(fù)。XPA、XPB、XPC、XPD、XPE、XPF、XPG、XPHDNA損傷和修復(fù)專題知識第40頁DNA損傷和修復(fù)專題知識第41頁NER不僅能夠修復(fù)整個基因組中損傷,而且能拯救因轉(zhuǎn)錄模板鏈損傷而暫停轉(zhuǎn)錄RNA聚合酶,即參與轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)（transcription-coupledrepair）。作用方法:NER蛋白質(zhì)被募集于暫停RNA聚合酶。轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)意義:將修復(fù)酶集中于正在轉(zhuǎn)錄DNA,使該區(qū)域損傷立刻得以修復(fù)。DNA損傷和修復(fù)專題知識第42頁堿基錯配修復(fù)（mismatchrepair）錯配是指非Watson-Crick堿基配對。堿基錯配修復(fù)也可被看作是堿基切除修復(fù)一個特殊形式,關(guān)鍵負責(zé)糾正:①復(fù)制與重組中出現(xiàn)堿基配對錯誤;②因堿基損傷所致堿基配對錯誤;③堿基插入;④堿基缺失。DNA損傷和修復(fù)專題知識第43頁E.coli錯配修復(fù)系統(tǒng)修復(fù)復(fù)制差錯DNA損傷和修復(fù)專題知識第44頁Dam甲基化酶（methylase）使E.coli處于臨時半甲基化狀態(tài),標(biāo)識母鏈和新合成DNA鏈,幫助新合成DNA鏈被錯配修復(fù)系統(tǒng)識別并修復(fù)。DNA損傷和修復(fù)專題知識第45頁模板鏈GATC序列甲基化MutH僅切割新合成DNA鏈DNA損傷和修復(fù)專題知識第46頁MSH（MutShomologs）蛋白與MutL同源MLH和PMS蛋白真核細胞錯配修復(fù)系統(tǒng)即無MutH蛋白,也無半甲基化標(biāo)識母鏈。錯配修復(fù)系統(tǒng)利用岡崎片段連接前DNA缺口分辨錯配堿基所在DNA鏈。真核細胞核苷酸修復(fù)錯配系統(tǒng):DNA損傷和修復(fù)專題知識第47頁三、DNA嚴重損傷時需要重組修復(fù)同源重組修復(fù):參與重組兩段雙鏈DNA在相當(dāng)長范圍內(nèi)序列相同（＞/=200bp）,確保重組后生成新區(qū)序列正確。非同源末端連接重組修復(fù):哺乳動物修復(fù)方法。DNA損傷和修復(fù)專題知識第48頁同源重組修復(fù)DNA損傷和修復(fù)專題知識第49頁四、一些修復(fù)發(fā)生在跨越損傷DNA復(fù)制事件以后重組跨越損傷修復(fù)

合成跨越損傷修復(fù)

DNA損傷和修復(fù)專題知識第50頁重組跨越損傷修復(fù)DNA損傷和修復(fù)專題知識第51頁SOS修復(fù)中LexA-RecA操縱子作用機制DNA損傷和修復(fù)專題知識第52頁常見DNA損傷修復(fù)路徑修復(fù)途徑修復(fù)對象參與修復(fù)的酶或蛋白

光復(fù)活修復(fù)嘧啶二聚體光復(fù)活酶

堿基切除修復(fù)受損的堿基DNA糖基化酶、無嘌呤嘧啶核酸內(nèi)切酶

核苷酸切除修復(fù)嘧啶二聚體、DNA螺旋結(jié)構(gòu)的改變大腸桿菌中UvrA、UvrB、UvrC和UvrD，人XP系列蛋白XPA、XPB、XPC……XPG等

錯配修復(fù)復(fù)制或重組中的堿基配對錯誤大腸桿菌中的MutH、MutL、MutS，人的MLH1、MSH2、MSH3、MSH6等

重組修復(fù)雙鏈斷裂RecA蛋白、Ku蛋白、DNA-PKcs、XRCC4

損傷跨越修復(fù)大范圍的損傷或復(fù)制中來不及修復(fù)的損傷RecA蛋白、LexA蛋白、其他類型DNA聚合酶

DNA損傷和修復(fù)專題知識第53頁DNA損傷和修復(fù)意義ThesignificanceofDNAdamageandrepair第三節(jié)DNA損傷和修復(fù)專題知識第54頁一、DNA損傷含有雙重效應(yīng)一是給DNA帶來永久性改變即突變,可能改變基因編碼序列或者基因調(diào)控序列;二是DNA這些改變使得DNA不能用作復(fù)制和轉(zhuǎn)錄模板,使細胞功效出現(xiàn)障礙,重則死亡。DNA損傷通常有兩個